CN101976088A - 面向压力敏感涂料测量的温度控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种面向压力敏感涂料测量的温度控制装置，包括电源模块、数码管驱动及键盘控制芯片、微处理器模块、键盘与数码管显示模块、温度传感器模块以及恒流源电路模块，其中键盘的输出端接微处理器模块的输入端，微处理器模块的输出端串接恒流源电路模块后与半导体芯片连接，微处理器模块分别与温度传感器模块和数码管驱动及键盘控制芯片双向连接，数码管驱动及键盘控制芯片的输出端分别接键盘与数码管显示模块的输入端。本发明通过单片机控制恒流源来控制半导体制冷片的工作电流，使该温度控制装置能够在室温±60℃范围内对温度进行准确控制。具有制冷制热两种工作模式；通过改变半导体制冷片工作电流的方向即可实现两种模式的切换。
Description
技术领域
本发明涉及温度控制领域，准确地说本发明涉及压力敏感涂料测量过程中对温度的精确控制，尤其是在空间小、干扰强、精度高和同时需要制冷制热的场合。
背景技术
风洞试验技术中，压力测量一直是飞行器模型试验的一项重要内容。近年来，国际上出现一种新的压力测量技术，文献上一般称作PSP(pressure sensitive paint)技术。与传统的压力测量技术相比，PSP技术以其表面全域无插入压力测量、对流场干扰小等显著特点得以广泛应用，显现出不可替代的重要作用。组建一套适合的压力敏感涂料测量系统是开展该技术在叶轮机械流场研究与进行相关实验测量的基础。由于温度会影响氧分子在涂料中的渗透或扩散速度，从而影响发光强度，因此在压敏涂料测压技术(PSP)标定过程中，需要得到不同温度及不同压力条件下涂料荧光强度与光强的对应关系。压力敏感涂料测量技术的特殊性使得其对温度控制装置提出了比较高的要求：小尺寸、抗干扰、高精度、同时能够制冷制热，而目前的温度控制装置不能完全满足上述要求。
发明内容
本发明的目的是设计和研制一种在压力敏感涂料测压技术中能够对温度进行精确控制的装置。通过对恒流源电路电流的精确控制来实现准确的温度控制，通过键盘设定温度值，如果输入错误可以清零后重新输入，当输入完成后，只需按下运行键，就可以自动运行，达到设定的温度值。温度控制范围为室温±60℃，控制精度±0.8℃，操作简单方便，性能安全可靠。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明面向压力敏感涂料测量的温度控制装置，包括电源模块、数码管驱动及键盘控制芯片、微处理器模块、键盘与数码管显示模块、温度传感器模块以及恒流源电路模块，其中键盘的输出端接微处理器模块的输入端，微处理器模块的输出端串接恒流源电路模块后与半导体芯片连接，微处理器模块分别与温度传感器模块和数码管驱动及键盘控制芯片双向连接，数码管驱动及键盘控制芯片的输出端分别接键盘与数码管显示模块的输入端。
优选地，所述温度传感器模块由参考温度传感器和反馈温度传感器构成。
优选地，所述半导体芯片采用半导体制冷片。
优选地，所述微处理器模块采用型号为C8051F040单片机。
本发明具有以下优点：
(1)设计中无论是硬件还是软件系统中都采用模块化的设计方法。这使得系统扩展起来比较方便，系统可移植性高，增加了系统的灵活性和可靠性，具有广泛的适应性。
(2)反馈温度传感器实时测量半导体制冷片的当前温度，并通过数码管显示，能够实时判断系统是否达到稳定。
(3)具有结构简单、运行可靠、成本低廉等特点。
(4)系统可以达到±0.8℃的精度。
(5)具有制冷制热两种工作模式。
(6)能够实现温度的精确控制，可以运用到各种需要进行温度控制的场合。
附图说明
图1：半导体芯片两侧温差与其工作电流之间的关系曲线图；
图2：恒流源电路图；
图3：温度自动控制图；
图4：系统控制流程图。
具体实施方式
本发明所采用的技术方案是：微处理器(C8051F040)通过处理键盘输入信号，根据半导体制冷片标定曲线(图1)，计算得到基本输出电压U，根据当前的温度产生相应的调整电压ΔU，控制电压U+ΔU经D/A转换后控制采样电阻电压，从而控制通过半导体制冷片的电流，使被控制对象的温度达到设定的温度值。基于塞贝克效应制成的半导体制冷片，工作时使用直流电流，它既可制冷又可制热，通过改变直流电流的极性可以在同一制冷片上实现制冷或加热。制冷片两侧的温差与其工作电流成比例关系，通过恒流源控制制冷片的工作电流，即可控制制冷片两侧温差，如果以其中一面作为温度参考面，就可以达到控制另一面温度的目的。温度传感器DS18B20直接输出的就是温度信号数字值，用其作为反馈温度传感器简单可靠。通过单片机来控制恒流源电路电流，从而可以使半导体制冷片达到设定温度。主要包括以下功能：通过在控制面板上输入设定温度，即可使系统自动达到设定温度值，精度高，工作稳定，无需人工干预；数码管不仅可以显示设定温度值，还可以实时显示半导体制冷片工作面的当前温度，以观察温度是否稳定；只需连接不同的接口，就可以实现制冷制热两种工作模式的切换，安全方便。
采用C8051F040单片机对恒流源电路(图2)电流进行控制，通过单片机上的D/A端口，控制运算放大器UA741上正相输入端的输入电压，从而根据运算放大的器“虚短”的特性，控制采样电阻R1上压降，从而达到控制MOS管IRF250上电流的目的；同时运算放大器的“虚断”特性，还可以将恒流源与单片机相隔离，从而达到保护单片机的目的。同时设计了4*4的键盘用来设定温度、运行系统以及中止运行；用数码管显示设定的温度值和当前的温度值，在键盘和数码管控制方面采用CH451作为外围芯片控制，CH451芯片是一个整合了数码管驱动和键盘扫描控制以及μp监控的多功能外围芯片，可以驱动8位数码管或64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位等功能；同时可以进行64键的键盘扫描，CH451实现对键盘的控制和数码管的驱动。在本装置中，使用CH451来驱动三个共阴极数码管，同时扫描4*4的键盘。温度的闭环控制需要温度传感器实时测量系统温度，在测量温度方面采用DS18B20芯片，DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820后推出的一种改进型智能温度传感器。该器件将半导体温敏器件，A/D转换器，存储器等集成在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。DS18B20的测温范围为-55～125℃，最大分辨率可达0.0625℃，在-10～84℃内精度为±0.5℃，现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力。在该温度调节装置中，通过控制半导体制冷片中电流的大小来控制其两侧温差，因此需要测量半导体制冷片温度参考面与工作面两个面的温度。将半导体制冷片工作面进行25等分，对其进行了表面温度一致性测试，以45℃为例，测试结果如表1所示；从表1可知，半导体制冷片表面温度变化仅为±0.3℃，可认为半导体制冷片表面温度均匀，因此仅使用两个DS18B20芯片分别作为参考温度传感器与反馈温度传感器，来测量温度参考面与工作面的温度。
| 44.7 | 45.2 | 45.2 | 45.2 | 45.3 |
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表1半导体芯片表面一致性测试结果
整个系统硬件框图如图3所示，包括电源模块、JTAG接口调试模块、微处理器模块、键盘输入与数码管显示模块、温度传感器模块以及恒流源电路模块。单片机选用低功耗、高性能、CMOS八位微处理器C8051F040，片内有64K字节的可擦写存储器，4352B的片内RAM，8组I/O口，以流水线处理指令。
设计了控制系统的原理图，进行了硬件电路的加工以及元器件的焊接、进行了控制的系统的软件设计，通过对系统的需求分析，设计了各个功能模块分别进行调试，调试完成后进行整个系统的软件设计，最后软、硬件进行了联机调试。调试完成后，进行了相关的试验，试验结果表明系统稳定可能，达到了预期的性能指标。
该装置的控制功能通过按键设定温度，对恒流源电流进行控制实现。系统可以实现制冷制热两种工作模式，能够稳定在室温±60℃范围内，同时通过数码管可以实时显示当前半导体制冷片的温度。
如图4所示，开机后，首先进行系统初始化、开中断、开启键盘扫描，调用显示子程序，显示输入的温度值。当有键值按下时执行键盘处理子程序，根据不同的键码执行相应的子程序，当需要进行温度控制时，可以按“运行”键，此时系统可以产生基本输出电压来使系统的温度逼近设定温度，基本电压是依据试验标定的半导体制冷片性能曲线确定的，由于各种现场干扰，系统不会精确地到达设定的温度值；所以需要进行精确控制，按下“观察”键，此时数码管可以显示当前半导体制冷片的温度，以观察温度是否达到设定值，另一方面同时按下此键，可以启动精确控制，即产生调整温度值ΔU，使系统达到设定的温度值。该装置在南京航空航天大学相关试验中进行了使用，表明系统能够长期稳定的运行，实际温度与设定温度相一致，节约了试验成本，提高了测量精度，节省了试验时间，提高了工作效率。
Claims (4)
1.一种面向压力敏感涂料测量的温度控制装置，其特征在于包括电源模块、数码管驱动及键盘控制芯片、微处理器模块、键盘与数码管显示模块、温度传感器模块以及恒流源电路模块，其中键盘的输出端接微处理器模块的输入端，微处理器模块的输出端串接恒流源电路模块后与半导体芯片连接，微处理器模块分别与温度传感器模块和数码管驱动及键盘控制芯片双向连接，数码管驱动及键盘控制芯片的输出端分别接键盘与数码管显示模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的面向压力敏感涂料测量的温度控制装置，其特征在于所述温度传感器模块由参考温度传感器和反馈温度传感器构成。
3.根据权利要求1所述的面向压力敏感涂料测量的温度控制装置，其特征在于所述半导体芯片采用半导体制冷片。
4.根据权利要求1所述的面向压力敏感涂料测量的温度控制装置，其特征在于所述微处理器模块采用型号为C8051F040单片机。
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